CN114284532B

CN114284532B - 燃料电池系统的空气流量计算方法、介质、终端及系统

Info

Publication number: CN114284532B
Application number: CN202111583361.XA
Authority: CN
Inventors: 张震
Original assignee: Shanghai Re Fire Energy and Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Re Fire Energy and Technology Co Ltd
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-08-04
Anticipated expiration: 2041-12-22
Also published as: CN114284532A

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统的空气流量计算方法、介质、终端及系统，包括以下步骤：查获回路节流阀所对应的第一流量特性曲线、旁通节流阀所对应的第二流量特性曲线、电堆的阴极流道所对应的第三流量特性曲线以及电堆回路所对应的第四流量特性曲线；选取电堆回路的一个假定基准流量Q，获得的第一假定压降和第二假定压降的总和构成电堆回路的总假定压降Δp；获得电堆回路的回路等效节流面积S1，查获旁通节流阀的第二节流面积S₂；测得空气主路的总流量Q_total，算得电堆回路的流量为Q₁＝Q_total*S₁/(S1+S2)，旁通回路的流量为Q₂＝Q_total*S₂/(S1+S2)。本发明能够有效解决在较低压降的条件下电堆21的实际空气流量无法准确计算的问题。

Description

燃料电池系统的空气流量计算方法、介质、终端及系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池系统的空气流量计算方法、介质、终端及系统。

背景技术

燃料电池系统一般仅在空气系统入口设置空气流量传感器，而不会在各个回路设置流量传感器；常规的旁通节气门回路的空气量计算方法采用节气门前后的压力以及节气门的开度等参数，通过节流模型得出流经节气门的流量，进而通过流量计的总流量扣除旁通流量得到电堆的空气流量。然而，当节流门的前后压力非常接近的时候(比如当低功率运行的空压机增压压力较低时，或者旁通节气门开度较大时，或者膨胀机系统的电堆压降较小时)，此时压力比将非常接近1；从节流系数曲线上可以看到，因为此时的节流系数和压力比的关系非常敏感，考虑到真实的压力传感器的实际偏差程度，这将导致压力信号轻微的偏差，将带来很大比例的节流系数变化。此时该方法的精度大大降低，计算结果经常会偏离真实值较多。这影响了对流经电堆的实际空气流量的精确控制，进而影响系统性能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种燃料电池系统的空气流量计算方法、介质、终端及系统，能够有效解决在较低压降的条件下电堆的实际空气流量无法准确计算的问题，更好满足电堆控制需求，更准确地响应燃料电池系统的功率需求。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池系统的空气流量计算方法，所述燃料电池系统包括空气主路以及由空气主路引出分流且相互并联的电堆回路和旁通回路，电堆回路上串联设置电堆和回路节流阀，旁通回路上设置旁通节流阀，所述空气流量计算方法包括以下步骤：

查获回路节流阀所对应的第一流量特性曲线、旁通节流阀所对应的第二流量特性曲线、电堆的阴极流道所对应的第三流量特性曲线以及电堆回路所对应的第四流量特性曲线；

选取电堆回路的一个假定基准流量Q，并且根据第一流量特性曲线，获得回路节流阀的第一假定压降；根据第三流量特性曲线，获得电堆的第二假定压降，第一假定压降和第二假定压降的总和构成电堆回路的总假定压降Δp；

根据总假定压降Δp、假定基准流量Q以及第四流量特性曲线，获得电堆回路的回路等效节流面积S1；查获旁通节流阀的第二节流面积S₂；

基于节流原理，电堆回路和旁通回路的节流面积之比为电堆回路和旁通回路的流量之比，测得空气主路的总流量Q_total，算得电堆回路的流量为Q₁＝Q_total*S₁/(S1+S2)，旁通回路的流量为Q₂＝Q_total*S₂/(S1+S2)。

优选地，所述回路节流阀的数量为两个，回路节流阀包括第一节流阀和第二节流阀，第一节流阀靠近于电堆的阴极流道入口处，第二节流阀靠近于电堆的阴极流道出口处。

优选地，所述第一节流面积和第二节流面积均根据阀芯开度和节流面积的关系曲线获得。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行，以实现所述燃料电池系统的空气流量计算方法。

本发明还提供一种终端，包括：处理器和存储器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行所述燃料电池系统的空气流量计算方法。

本发明还提供一种燃料电池系统，包括：

管路系统，管路系统包括空气主路以及由空气主路引出分流且相互并联的电堆回路和旁通回路，电堆回路上串联设置电堆和回路节流阀，旁通回路上设有旁通节流阀；

压气机，压气机设于空气主路；

流量计，流量计设于空气主路；

所述终端，终端分别与流量计、电堆、回路节流阀以及旁通节流阀通信连接。

优选地，所述管路系统还包括排气管，排气管分别与电堆回路和旁通回路连通；所述燃料电池系统还包括膨胀机，膨胀机同轴连接于压气机，膨胀机设于排气管上。

如上所述，本发明的燃料电池系统的空气流量计算方法、介质、终端及系统，具有以下有益效果：首先，查询各个流量特性曲线：查获回路节流阀所对应的第一流量特性曲线、旁通节流阀所对应的第二流量特性曲线、电堆的阴极流道所对应的第三流量特性曲线以及电堆回路所对应的第四流量特性曲线，其中上述回路节流阀的数量可以是一个，也可以是多个，不同型号的回路节流阀对应于不同的第一流量特性曲线。其次，由于在电堆回路上的流量处处相等，可以选取电堆回路的一个假定基准流量Q，这样能够基于对应的流量特性曲线，依次获得上述回路节流阀的第一假定压降和上述电堆的第二假定压降，从而获得上述电堆回路的总假定压降Δp。然后，根据总假定压降Δp、假定基准流量Q以及第四流量特性曲线，获得电堆回路的回路等效节流面积S1；查获旁通节流阀的第二节流面积S₂。最后，基于节流原理，即通过对不同回路的流通特性进行对比，进而获取不同回路在同等前后压降的条件下的节流面积之比，由于电堆回路和旁通回路的节流面积之比为电堆回路和旁通回路的流量之比，测得空气主路的总流量Q_total，算得电堆回路的流量为Q₁＝Q_total*S₁/(S1+S2)，旁通回路的流量为Q₂＝Q_total*S₂/(S1+S2)。因此，本发明的燃料电池系统的空气流量计算方法能够有效解决在较低压降的条件下电堆的实际空气流量无法准确计算的问题，并且该方法不需要测量使用压力的绝对值，计算结果不受压力传感器的精准度的影响，可以更好满足电堆控制需求；尤其当需求功率快速变化时，能够更准确地响应燃料电池系统的功率需求。

附图说明

图1显示为本发明的燃料电池系统的第一实施例的示意图；

图2显示为本发明的燃料电池系统的第二实施例的示意图；

图3显示为节流系数与压力比的关系曲线图；

图4显示为本发明的燃料电池系统的空气流量计算方法的流程图。

元件标号说明

1 空气主路

11 中冷器

12 空滤器

2 电堆回路

21 电堆

22 第一节流阀

23 第二节流阀

3 旁通回路

31 旁通节流阀

4 压气机

5 流量计

6 膨胀机

7 排气管

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参见图1和图2，本发明的燃料电池系统包括空气主路1以及由空气主路1引出分流且相互并联的电堆回路2和旁通回路3，电堆回路2上串联设置电堆21和回路节流阀，旁通回路3上设置旁通节流阀31。例如，旁通节流阀31的上游侧压力为P₁，旁通节流阀31的下游侧压力为P₂，旁通节流阀31的上游侧温度为T₁；基于旁通节流阀31的节流模型，得出旁通节流阀31的流量Q_bypass，Q_bypass＝Q₀(θ)*(P₁/P₀)*SQRT(T₀/T₁)*K(P₂/P₁)，其中，P₀为基准压力(如101.3kpa)，T₀为基准温度(如273K)，SQRT为求平方根函数，Q₀(θ)为与角度相关的流量特性函数，K(x)为与压力比x(x的取值范围为0～1之间)相关的节流系数。

然而，参见图3的节流系数K(x)与压力比x的关系曲线图，当旁通节流阀31的上游侧压力为P₁和下游侧压力为P₂之间非常接近时，此时压力比x的数值非常接近于1。从关系曲线图中可以看到：右下角用椭圆线圈出来的曲线段比较陡峭(例如当压力比x为0.9～1时)，即此时的节流系数和压力比之间的关系非常敏感。考虑到现有压力传感器的检测值存在偏差，这样即使是存在轻微偏差的压力信号，也将带来极大影响节流系数的变化程度。因此，该方法的精度大大降低，计算结果经常会极大偏离于真实值，进而影响了对流经电堆21的实际空气流量的精确控制，从而影响燃料电池系统性能。

基于此，如图4所示，本发明提供一种燃料电池系统的空气流量计算方法，包括以下步骤：

查获回路节流阀所对应的第一流量特性曲线、旁通节流阀31所对应的第二流量特性曲线、电堆21的阴极流道所对应的第三流量特性曲线以及电堆回路2所对应的第四流量特性曲线；

选取电堆回路2的一个假定基准流量Q，并且根据第一流量特性曲线(第一流量特性曲线包含有关于回路节流阀的第一节流面积的信息)，获得回路节流阀的第一假定压降；根据第三流量特性曲线(第三流量特性曲线包含有关于电堆21的流道等效节流面积的信息)，获得电堆21的第二假定压降，第一假定压降和第二假定压降的总和构成电堆回路2的总假定压降Δp；

根据总假定压降Δp、假定基准流量Q以及第四流量特性曲线，获得电堆回路2的回路等效节流面积S1；查获旁通节流阀31的第二节流面积S₂；

基于节流原理，电堆回路2和旁通回路3的节流面积之比为电堆回路2和旁通回路3的流量之比，测得空气主路1的总流量Q_total，算得电堆回路2的流量为Q₁＝Q_total*S₁/(S1+S2)，旁通回路3的流量为Q₂＝Q_total*S₂/(S1+S2)。

在本发明中，首先，查询各个流量特性曲线：查获回路节流阀所对应的第一流量特性曲线、旁通节流阀31所对应的第二流量特性曲线、电堆21的阴极流道所对应的第三流量特性曲线以及电堆回路2所对应的第四流量特性曲线，其中上述回路节流阀的数量可以是一个，也可以是多个，不同型号的回路节流阀对应于不同的第一流量特性曲线。其次，由于在电堆回路2上的流量处处相等，可以选取电堆回路2的一个假定基准流量Q，这样能够基于对应的流量特性曲线，依次获得上述回路节流阀的第一假定压降和上述电堆21的第二假定压降，从而获得上述电堆回路2的总假定压降Δp。然后，根据总假定压降Δp、假定基准流量Q以及第四流量特性曲线，获得电堆回路2的回路等效节流面积S1；查获旁通节流阀31的第二节流面积S₂。最后，基于节流原理，即通过对不同回路的流通特性进行对比，进而获取不同回路在同等前后压降的条件下的节流面积之比，由于电堆回路2和旁通回路3的节流面积之比为电堆回路2和旁通回路3的流量之比，测得空气主路1的总流量Q_total，算得电堆回路2的流量为Q₁＝Q_total*S₁/(S1+S2)，旁通回路3的流量为Q₂＝Q_total*S₂/(S1+S2)。

因此，本发明的燃料电池系统的空气流量计算方法能够有效解决在较低压降的条件下电堆21的实际空气流量无法准确计算的问题，并且该方法不需要测量使用压力的绝对值，计算结果不受压力传感器的精准度的影响，可以更好满足电堆控制需求；尤其当需求功率快速变化时，能够更准确地响应燃料电池系统的功率需求。

具体的，上述回路节流阀的数量为两个，回路节流阀包括第一节流阀22和第二节流阀23，第一节流阀22靠近于电堆21的阴极流道入口处，第二节流阀23靠近于电堆21的阴极流道出口处。

优选地，上述第一节流面积和第二节流面积均根据阀芯开度和节流面积的关系曲线获得。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，上述计算机程序被处理器执行，以实现上述燃料电池系统的空气流量计算方法。

本发明还提供一种终端，包括：处理器和存储器；

上述存储器用于存储计算机程序；

上述处理器与上述存储器相连，用于执行上述存储器存储的计算机程序，以使上述终端执行上述燃料电池系统的空气流量计算方法。

请再参见图1，本发明还提供一种燃料电池系统，包括：

管路系统，管路系统包括空气主路1以及由空气主路1引出分流且相互并联的电堆回路2和旁通回路3，电堆回路2上串联设置电堆21和回路节流阀，旁通回路3上设有旁通节流阀31；

压气机4，压气机4设于空气主路1；

流量计5，流量计5设于空气主路1；

如权利要求5上述的终端，终端分别与流量计5、电堆21、回路节流阀以及旁通节流阀31通信连接。

当压气机4低功率运行时，或者旁通节流阀31的开度较大时，也就是说，当旁通节流阀31的上游侧压力和下游侧压力非常接近时，下游侧压力和上游侧压力的节流系数为0.9～1，燃料电池系统的终端依旧能够精确测得电堆回路2上的实际空气流量。

请再参见图2，上述管路系统还包括排气管7，排气管7分别与电堆回路2和旁通回路3连通；上述燃料电池系统还包括膨胀机6，膨胀机6同轴连接于压气机4，膨胀机6设于排气管7上。

对于使用膨胀机6的管路系统，因为在低流量时电堆回路2的压降更小，旁通节流阀31的前后压降相比于常规空气路系统更接近1，但是，燃料电池系统的终端还能够精确测得电堆回路2上的实际空气流量。

此外，上述空气主路1上还设有中冷器11和空滤器12，中冷器11位于压气机4的下游侧，空滤器12位于压气机4的上游侧。

综上所述，本发明的燃料电池系统的空气流量计算方法、介质、终端及系统，能够有效解决在较低压降的条件下电堆21的实际空气流量无法准确计算的问题，更好满足电堆控制需求，更准确地响应燃料电池系统的功率需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种燃料电池系统的空气流量计算方法，所述燃料电池系统包括空气主路(1)以及由空气主路(1)引出分流且相互并联的电堆回路(2)和旁通回路(3)，电堆回路(2)上串联设置电堆(21)和回路节流阀，旁通回路(3)上设置旁通节流阀(31)，其特征在于，所述空气流量计算方法包括以下步骤：

查获回路节流阀所对应的第一流量特性曲线、旁通节流阀(31)所对应的第二流量特性曲线、电堆(21)的阴极流道所对应的第三流量特性曲线以及电堆回路(2)所对应的第四流量特性曲线；

选取电堆回路(2)的一个假定基准流量Q，并且根据第一流量特性曲线，获得回路节流阀的第一假定压降；根据第三流量特性曲线，获得电堆(21)的第二假定压降，第一假定压降和第二假定压降的总和构成电堆回路(2)的总假定压降△p；

根据总假定压降△p、假定基准流量Q以及第四流量特性曲线，获得电堆回路(2)的回路等效节流面积S₁；查获旁通节流阀(31)的第二节流面积S₂；

基于节流原理，电堆回路(2)和旁通回路(3)的节流面积之比为电堆回路(2)和旁通回路(3)的流量之比，测得空气主路(1)的总流量Q_total，算得电堆回路(2)的流量为Q₁＝Q_total*S₁/(S₁+S₂)，旁通回路(3)的流量为Q₂＝Q_total*S₂/(S₁+S₂)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气流量计算方法，其特征在于：所述回路节流阀的数量为两个，回路节流阀包括第一节流阀(22)和第二节流阀(23)，第一节流阀(22)靠近于电堆(21)的阴极流道入口处，第二节流阀(23)靠近于电堆(21)的阴极流道出口处。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气流量计算方法，其特征在于：所述第二节流面积根据阀芯开度和节流面积的关系曲线获得。

4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行，以实现权利要求1至3中任一项所述燃料电池系统的空气流量计算方法。

5.一种终端，其特征在于，包括：处理器和存储器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行权利要求1至3中任一项所述燃料电池系统的空气流量计算方法。

6.一种燃料电池系统，其特征在于：包括：

管路系统，管路系统包括空气主路(1)以及由空气主路(1)引出分流且相互并联的电堆回路(2)和旁通回路(3)，电堆回路(2)上串联设置电堆(21)和回路节流阀，旁通回路(3)上设有旁通节流阀(31)；

压气机(4)，压气机(4)设于空气主路(1)；

流量计(5)，流量计(5)设于空气主路(1)；

如权利要求5所述的终端，终端分别与流量计(5)、电堆(21)、回路节流阀以及旁通节流阀(31)通信连接。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于：所述管路系统还包括排气管(7)，排气管(7)分别与电堆回路(2)和旁通回路(3)连通；所述燃料电池系统还包括膨胀机(6)，膨胀机(6)同轴连接于压气机(4)，膨胀机(6)设于排气管(7)上。